外文翻译Bluetooth-basedapproachtomonitoringbiomedicals

本科毕业论文(设计)外文翻译【外文原文见下篇上传文档】题目:基于蓝牙技术的生物信号检测姓名:学院（部）:专业:生物医学工程班级:学号:指导教师:职称:2014年11月25日2Bluetooth-basedapproachtomonitoringbiomedicalsignalsZILBERTTAFA,RADOVANSTOJANOVICFacultyofElectricalEngineeringUniversityofMontenegro,Podgorica,Montenegro,S&[e-mail],[e-mail]摘要：本文提出一种基于蓝牙技术的生理信号监测体统的研究。此系统更方便使用并连续监测病人的生理信号，且适用范围广（如家庭、工作场所和医院等）。这个系统设计的体系结构包括多点蓝牙客户机、医院-办公-家庭式的蓝牙系统和接如全球远程医疗网。本文着重介绍此蓝牙系统硬件组成和软件的数据流程。在此基础上的初步测试结果验证了蓝牙技术使用相较于传统生理信号检测的优势。并在此蓝牙技术的基础上提出了今后的发展计划。关键词：生理信号；检测；ECG；PPG；蓝牙技术；微端控制；家庭护理1引言微电子技术、无线通讯和通信技术的迅猛发展，使得医疗仪器从有线传输到无线技术的应用开发成为必然趋势。特别是“远程医疗”概念的提出，更是说明设计出结合无线技术的医疗仪器的重要性。本文所提出的生理信号监测系统便是能够连续监控生理参数（PP），如心电图、SPO2、脉率、呼吸、血压等的监护系统。通过对这些生理信号的实时监测，可以显著预防和降低慢性疾病患者的并发症的发作风险（或患者疾病的加重），达到非常好的防范效果。传统的生理信号监测系统，都是通过电缆连接的固定或移动的整体设备对病人进行检测，且传统的监测系统都需要专业的医务人员在身边进行实时记录，这种需要医护人员和病人的一对一或一对多的操作模式，对于医护人员来说工作量非常大。除以上原因，监测PP的这种传统模式的缺点还有：系统体积普遍较大，整体不便于移动，限制了使用范围；布线成本高，传统的AC/DC电源，安装成本高等等原因。改变这种效率低的模式，正式“远程医疗”的研发目的。现代对于远程医疗系统的开发，主要集中在无线系统技术的应用上。该项技术的研发与使用让病人不再只是在医院定点接受观察与治疗，具有了流动性；减少了安装成本；扩大了医疗仪器的适用范围等。无线技术在医疗器械中的应用，以及在此基础上的远程医疗系统的开发，使得我们的hosptial-office-home模式的保健系统（医疗系统）能够建立，并实现对于生理信号的远程连续监测与及时处理。目前远程监测生物信号可以通过以下两种类型的无线网络实现：短程通信用来创建无线个域网/WLAN网络（如蓝牙、ZigBee、超宽带）和远距离WAN链接（如GPS、GPRS、3g、卫星链路）[1]；无线组合和电线通信基础设施的经常以无线方式进行链接（大部分情况下）和WAN链接实现了使用有线的传输系统或反之亦然。无线远程医疗系统，即实现基本PPs的实时采集和它们传输到其他系统的远程监控和储存点的系统。本文设计的生理参数监测系统采用的是蓝牙技术，目的是建立一种低功率消耗、简单的点对点连接的方式的医疗器械。相较于无线局域网标准网络，蓝牙的主要缺点是较低的通信速度和传输范围.但是，当需要处理的设备和非高速运转的应用程序之间的距离不大，且出于设备本身较低的功率消耗与医疗设备的成本考虑，蓝牙技术的开发使用更加合适。蓝牙技术本身采用的高速调频技术（FHSS：Freuency-hoppingSpreadSpectrum）使其本身抗干扰3性很强，因为这一特性，当在蓝牙范围内与其他无线网络发生重叠(Wifi、ZigBee等）时能够不受其低频信号的干扰[2]。与典型的无线传感器网络相比，蓝牙技术能够实现更大的交换量，所以对于实时监控、需要更高的通信速度时蓝牙更具有优势。蓝牙无线电收发器被设计为低功率消耗设备，这一技术也被应用在ZigBEE当中（超低功率消耗设备）。不仅如此，大量嵌入式蓝牙设备在现代手机和其他移动计算机平台（笔记本电脑、PDA等）的应用，这种技术的可伸缩性，当前和未来的应用程序的兼容性，使蓝牙技术的开发与研究更具吸引力。在本文，我们尝试在基于数据融合的蓝牙技术和通用微处理器的基础上，设计一种远程监控的生理参数采集。当然，这项技术（远程监控的生理参数采集）也可以基于无线传输电线或传统RF（AM和FM)连接的现代无线传感器网络进行设计。基于以上前提，本文主要内容如下：第2章节起草拟议的系统解决方案的体系结构；第3章节，初步测试结果展示；第4章节，总结论文和参考文献。2系统结构目前我们初步设计的系统版本主要是面向家庭护理和医疗应用。如图1所示，即为基于蓝牙技术的体系结构。如图所示，采集远程病人的生理信号后，通过蓝牙协议发送信号（生命体征）或一个原始数据表单到服务器接入点。除了蓝牙数据包的多路传输，通过接入点有效的TCP/IP协议和WLAN即可接入美国铂、ISDN、ADSL等的远程监控系统，达到远程实时监控的效果。图1：基于蓝牙技术的生理参数远程监控系统体系2.1蓝牙客户机端蓝牙客户机端通过蓝牙链接，将实时采集的数据连续发送到接收服务器。客户端的系统体系结构的设计，其主要功能是提供蓝牙串行通信。客户端系统主要包括传感调节器（A）和蓝牙收发器(B)。传感调节器（A）由光学检查电路和单片机组成。蓝牙客户端的测量采集电路基于标准的模拟和数字组成。主要是执行检测、采样、滤波、放大和斩波器（PPG）4和连续模式（ECG），尽量保证所采集信号的完整性和降低干扰。然后将处理好的模拟信号送入单片机ATMega16——由于它的低功耗、高速度、完全集成的特点（计时器，ROM、RAM、EEPROM、UART、等），所以我们在atmel公司的8bitsRISC系列中选择了ATMega16。基于以上功能设计和使用要求，蓝牙客户机端的整体设计如图2所示。图2：蓝牙客户端硬件体系结构通过UART接口，客户机端与带有InitiumPromiESD（SENA公司的promi-ESD01/02系列产品）的蓝牙收发器模块连接。这个模块的指定输出功率为63mW。其灵敏度在-84dBm至-20dBm的范围内变化。，根据制造商规格（如果是使用贴片天线）室外信号采集传输距离可最大化的达到1200米[3]，在此项目中蓝牙技术与天线组合，则可确保传输范围达100米。单片机控制器的通信速度可至19200~115200dps范围之间。且传感器调理器和发射器的源电压分别为3.3v和5V。2.2蓝牙服务器端InitiumpromiMSP(C)访问点作为无线多串口服务器，它接收来自无线链接的蓝牙串行数据，并将其打包至TCP/IP（网络层）。每个蓝牙收发器都由唯一的48位硬件地址（每位病人的辨识标志）加入到对应的TCP/IP端口服务器，用作每位病人的辨别信息。主机PC端通过TCP/IP协议访问蓝牙服务器的端口和帧，再通过虚拟Comm端口仿真器转换为串行数据，与主机PC端的PromiMSP服务器子系统连接。整个系统的软件部分由单片机代码和服务器应用程序编写——分别是CodeVisionAVR和VisualBasic两个模块。通过以上设计，主机端的应用程序即可启用TCP/IP服务器的配置，PC端通过虚拟COMM端口和多功能的GUI(GraphicalUserInterface，即图形用户界面)。当前所设计版本具有日志记录机制、暂停、信号流程、软件滤波、网格调整、放大、打印、保存等功能。串行数据的接收、帧格式和他们使用VB开发软件的可视化算法如图3所示。可以看出，通讯发达基于原始算法和帧格式，且样本数目、采样频率、通道数等的设定使应用程序适用于不同频率和帧长度的采集信号。程序终止指令启动并且如果框架通过CRC校验程序，将调用数据筛选功能。串行数据接收初始化和开放的COMM端口对应的服务器上，则使用VB通讯控件和COMM端口软件相应的TCP端口。5图3：基于模拟仪器的visualbasic算法的数据流程图3初步结果和今后发展通过两个阶段进行了实验项目的一部分。在黑山大学APEG实验室内证明后发展的硬件原型和必要的软件支持系统的功能。通过以上的前期准备工作，基于蓝牙技术的生物信号检测项目试验进行了一部分，在黑山大学的APEG实验室内实现了初步的硬件原型和必要的软件支持系统的功能。实验装置是包括两个传感器节点（病人1和病人2）和一个服务器（蓝牙接入点和联网的电脑）。生理参数信号和心电图信号的采集条件如下：采样频率=100Hz，10位A/D分辨率和可变UART通信速度之间微控制器和蓝牙模块(19200115200bps)。发达国家的基于visualBasic（一种由Microsoft公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言）所设计的友好用户软件接收蓝牙传输样品和筛选它们。ECG信号（病人1）和PPG信号（病人2)在线监测的示例如图4。如图所示，以原始振幅时间形式发送数据。在这一阶段的实验，我们所设计的这一系统显示了令人满意和稳定的结果。第二个测试阶段主要是蓝牙链路部分在室内与室外不同的环境中的传输数据是否受影响以及受影响程度。选用的场所是加固的混凝土建筑——电信黑山大厦。这座建筑因为安装的电信、IT传输设备和网络，是一个电子环境十分嘈杂，信号干扰非常大的场所。可移动的节点从不同距离和方式发送512字节的2000帧的伪随机10bits样品。两个传感器节点以不同的速度同时传输数据。并在在结束框架——16位的CRCCCITT【循环冗余码校验】内进行校验。若每个接收的帧包含不止一个虚假的样本将被视为已损坏。如图5所示，给出了室内(a)和室外(b)的情况下，不同的传输速度和距离下被损坏的帧的概率。6图4：实验场所检测信号显示图图5：（a）室内传输帧损坏的概率（b）室外传输帧损坏的概率由以上结果可知此系统更适宜在室内使用。从图5可以看出，在30米或60米的直径距离下，帧被损坏的概率是非常小的，尤其是在单片机的UART接口(异步收发传输器,将资料由串行通信与并行通信间作传输转换)19200bps速度时更加明显。损坏的帧的数目随着速度和距离的增加而增多，但即使在这样的条件下，我们也能发现可用的、较满意的反馈数值。且因为是在最坏的情况（高噪音环境）下进行的实验，我们有确信在有更好环境的医院和家中，蓝牙链接模块完全可以满足我们的使用需求。3.1功率计算我们试图优化的一个非常重要的方面是移动客户机的功率消耗。消耗的能量的主要部分去蓝牙发射器。为此目的，它被设置为操作在低功耗模式下，通过AT命令的特定。我们努力优化的另一个非常重要的方面是移动客户端的功率消耗。由于消耗的能量的主要部分去蓝牙发射器，为达到利用率最大化，移动客户端被设置为操作在低功耗模式下，通过AT命令实现控制蓝牙发射器。表1给出了不同操作模式下的系统检测的消耗。可见，最经济适用的是信号（所采集生命体征）在时间间隔精确的设定下发送器启用的模式。而连续传送7模式之所以不适用于消费者使用的原因是，在此模式下传输将消耗总功率量的80%以上。在这个问题上的未来工作计划要集中在：(一)改善硬件特性的系统（合理利用空间，尽量减小实体面积)；(二)提高节点的数目；(三)检测多种其他生理信号（ECG、温度、呼吸）；(四)改善软件的性能（通过包括一些新的软件例程、优化GUI等)；(五)提高局域网到广域网和全球远程医疗网络的监测；（六）对质量进行进一步的测量。表1：不同模式下的功率消耗4总结本文提出一种使用蓝牙技术来实现生理参数远程监测系统的设计。基于该系统采用无线数据传输，从流动的病人到非固定的服务器，它是一个非常方便的远程监测系统，使病人在家里和医院都能得到完善的医疗。此系统的体系结构由多点蓝牙客户机、hospital-office-home式蓝牙服务器组成，并融入了全球各级远程医疗会诊系统。初步测试结果表明，对于传统的那些系统的效率，基于蓝牙技术的生理信号远程监测